回旋管单阳极电子枪计算机辅助设计.pdf

第 15卷 第 11期 强 激 光 与 粒 子 束 V01．15，No．11 2003年 11月 HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS NOV．，2003 文章编号：1001-4322(2003)11-1123．04 回旋管单阳极 电子枪计算机辅助设计 王华军 ， 李宏福 ， 石 红 (1．电子科技大学 物理电子学院，I~Utl成都 610054；2．成都师范高等专科学校，I~Utl彭州 611930) 摘 要： 根据回旋管对 电子枪的要求，采用综合法和分析法设计了该单阳极磁控注入 电子枪 。编制了一 套大型的计算程序 ·利用计算机辅助设计，给出了电极形状、电子轨迹与电子注参量。计算表明，这种电子枪具 有速度零散小、层流性较好 、体积小等特点。该枪 已用于制管实验 中。由热测实验表 明．它具有 明显的优点，并 获得了127kW 的峰值功率和超过 l0 的效率。 关键词 ： 回旋管； 电子注 ； 电子枪 ； 电极形状 ； 计算机辅助设计 ； 数值模拟 中图分类号 ：TN125 文献标识码 ：A 回旋管是一种毫米波段 、亚毫米波段 的高峰值功率和高平均功率器件，具有其他器件无可 比拟 的优越性。 近年来，利用 回旋管产生 MW 级的长脉冲大功率和高平均功率 已用于受控热核聚变 中的等离子体加热、雷达 通讯 、陶瓷烧结等许多领域 。为 了得到器件的大功率和高平均功率 ，除尽可能提高电子注加速 电压和互作用效 率外 ，可致力于改进 电子光学系统 ，力求增大注电流和提高电子注的性能 。为此 ，有关专家提 出了具有层漉电 子轨迹的磁控注入枪 。这种 电子枪的电子注能有效地克服空间电荷引起 的速度零散。本文设计的电子枪就是 建立在综合法和分析法基础上的层流枪 ，阴极与磁力线 间有较大 的倾角 ，前成形极 、后成形极与阴极都有一定 的倾角，其倾角大小 由综合法初步确定 ，最终由计算机模拟和数值计算得到 。根据 回旋管整管的要求设计的单 阳极电子枪具有速度零散小 、层流性较好 、体积小等优点 。同时 ，本文在研究中考虑了空间电荷的作用 ，对影响 速度零散 的因素等进行 了大量的研究。 1 数值计算方法 根据 电子光学基本原理设计 出电极的雏形 ，再利用数值计算方法经过计算 ，最后才能确定 电极 的形状 ，并 计算出电子注的性能和参量。具体方法是 ：(1)确定问题的基本方程和一定 的边界条件 ，即定解问题 ，亦就是确 定泊松方程 、电流连续性方程 ，电子运动方程 、电磁场基本方程和边界条件等；(2)利用有 限差分法将 以上基本 方程及其边界条件化为数值方程，采用超松弛迭代法求解 出网格上 的空间电位分布 ，利用空间电荷 电子云法、 电荷分配法计算空间电荷分布 ，结合改进的九点插值法，拉格 朗 日外推法和泊松外推法计算空间任意点的叠加 电场 。采用非线性曲线拟合 的方法求出沿轴向的磁场分布 ，进而再利用谢尔茨函数展开计算磁场在空间的分 布；(3)利用 四阶龙格一库塔法求解 电子在电磁场中的运动方程 ，进而计算出电子的位置、轨迹和电子注的参量 。 1．1 磁场的计算方法 本文利用 自己编写 的程序进行磁场的模拟研究，即用实际线圈或理想线圈的组合来模拟沿轴磁场分布，即 塞K(z--Zo,i+bi)ln 辛 一 (一 一b1)1n ± 垒 } (1) a1．f+~／口f．I+ (z— z。．i+b1) 式中：L为实际线圈的个数； 为决定于电流密度的系数；a，a：为线圈内、外半径 ；z。为线圈中心的位置 ，b为 半宽度。角标 f表示第 i个圈的相应参量 。 B (r，)一 B (0，)一 r2+ r4一 … (2) B，(r，z)一一 r+ r3一 r。+ … (3